基于HTML5和CSS3构建3D模型

2024-03-04 12:56:41

关于CSS 3D的研究，其实早在2013年就开始了。无奈受限于当时的浏览器兼容性以及硬件性能等原因，对3D的一些探索也只是停留在DEMO阶段。这里可以参考我之前Github上的一个3D房屋模型DEMO。

CSS 3D的应用是我们一直在思考的，虽然近几年来浏览器和硬件有了很大提升，但基于CSS 3D做复杂应用还是比较受限。目前基于CSS 3D更多的是做一些美感和效果展现，以及一些轻量级的应用。

我们聚划算前端团队在慕课网上开通了自己的主页，希望把我们的一些技术和想法拿出来跟大家进行分享和沟通交流，借此机会我先抛砖引玉，跟大家做这次分享。

言归正传。

今天要分享的话题是基于HTML5和CSS3构建3D模型，希望通过这次的分享，每个人都能够开启自己的3D之旅。主要有以下3点内容：

CSS3基础知识
构建一个3D模型
3D模型模块化及扩展

CSS3基础知识

对于css的二维世界，相信大家都不陌生。在二维的世界里，我们可以对元素设置宽高、位置、旋转、背景等等。

在css三维世界里，扩展出了一个z轴，这个z轴垂直于屏幕并指向外面。如图，

基于这个三维坐标系，在二维基础上扩展一下我们的想象，如果一个元素可以绕着三个坐标轴进行平移、旋转会出线什么效果呢？

聪明的你肯定能够想象出来，在三维世界里，这个元素就变成立体的了。我们先不做演示，先来解释几个概念，Perspective，Transform、Translate和Transition（简称“三蠢”）

Perspective

Perspective在3D世界里是一个非常重要的概念，这个属性的设置决定了我们看到的是三维效果还是二维效果。Perspective的字面意思是透视、视角，计算机要模拟现实世界的三维效果，必须有一个虚拟摄像机（Camera）的概念，摄像机的移动代表现实世界中我们眼睛的移动，我们眼睛看到的真实物体有近大远小的效果，同样，虚拟摄像机的也要模拟出这样的场景。W3C解释是下图这样，透视点是物体到摄像机的距离(d), perspective设置的大小不同，人眼所看到的物体也会发生变化。

perspective-origin指摄像机的中心点位置，默认值是center center(或50% 50%)。换句话说，作为摄像机镜头的三个维度，perspective-origin代表了X和Y轴，而perspective代表Z轴。摄像机在三维空间进行移动，也就告诉浏览器也进行不同的渲染，而呈现给我们的就是不同的视角效果。

构建一个3D缺少不了3个要素，摄像机（Camera）、舞台（stage）和物体（Object）本身。我们先来创建这三个要素，代码如下：

<div class="camera">
        <div class="stage">
            <div class="box"></div>
        </div>
    </div>
    .camera {
        width: 200px;
        height: 200px;
        perspective: 500px;
        perspective-origin: center center;
    }

Transform

Transform指3D变换,主要的方法有旋转（Rotate）和平移（Translate）。Rotate可以绕X、Y、Z三个轴旋转，对应rotateX、rotateY、rotateZ三个方法。同样，坐标平移Translate也有tranlateX、tranlateY、translateZ三个方法。

在刚才的摄像机Camera设置完成后，我们需要设置一个立体空间，这个立体空间只有一个属性需要设置transform-style，默认清空下这个属性值被设置为flat，即在这个空间下的元素是没有z轴概念的，为了让元素都是立体元素，需要在这个立体空间上设置tranform-style的值为preserve-3d。

.stage {
        width:100%;
        height:100%;
        border:1px dashed #000;
        transform-style:preserve-3d;
    }

空间设置完成后，我们就可以来添加物体了，如上，我们设置了一个叫box的物体，下面我们来设置它的3D属性。

首先，我们对这个物体做3D平移

.box {
        width:100px;
        height:100px;
        background:#069;
        transform: translateX(50px) translateY(50px);
    }

然后，改变camera的perspective属性

无论我们如何修改perspective或者perspective-origin，竟然没有任何效果！这是为什么呢？？？

原因是在没有设置box的rotate、translateZ的情形下，box的深度没有变化，导致摄像机Camera透过perspective看出去的位置都是相同的，也造成不论怎么去看这个box都是一样的大小。

OK,那我们来设置box的translateZ，让box沿着Z轴做一些平移

.box {
        width:100px;
        height:100px;
        background:#069;
        transform: translateX(50px) translateY(50px) translateZ(150px);
    }

改变perspective属性

按照人眼睛看到的物体近大远小的原理，摄像机离物体的距离（perspective）越近，看到的物体越大，离得越远，物体越小。当摄像机已经透过物体之后，就看不到了。想象你有穿墙术，当你离墙很远的时候，你能看到墙的边缘，当你离墙越近，墙也就越大，当你穿过墙之后，墙在你身后，也就看不到了。

我们让box发生一些旋转,绕Y轴旋转45度

.box {
        width:100px;
        height:100px;
        background:#069;
        transform: translateX(50px) translateY(50px) rotateY(45deg);
    }

改变perspective-origin属性

Transition

最后我们来说一下Transition这个概念，Transition的意思是过渡，我们在做一些动画效果的时候会用到它。Transition是一个简写属性，用于设置4个过渡属性

transition-property（规定设置过渡效果的 CSS 属性的名称）
transition-duration （规定完成过渡效果需要多少秒或毫秒）
transition-timing-function（规定速度效果的速度曲线）
transition-delay （定义过渡效果何时开始）

语法

transition: property duration timing-function delay;

我们来做一个例子

.tst {
        transition: transform 2s linear 1s;
    }

然后把这个class设置在物体box上，任意改变box上一个Transform属性

可以看到这个变化是在设置完1s后（delay）在2s（duration）的时间内线性（linear）完成的（(⊙o⊙)…有点绕口）。

构建一个3D模型

有了上面的概念之后，再来构建一个3D模型就非常简单了。通过对多个平面的平移、旋转，我们来构建一个Cube模型。

一个立方体有上、下、左、右、前、后6个面，我们先创建这6个面

<div class="camera">
        <div class="stage">
            <div class="cube up">up</div>
            <div class="cube down">down</div>
            <div class="cube left">left</div>
            <div class="cube right">right</div>
            <div class="cube front">front</div>
            <div class="cube back">back</div>
        </div>
    </div>

然后再设置每个面的Transform属性

.camera {
      width: 400px;
      height: 400px;
      perspective: 1000px;
      perspective-origin: center center;
    }
    .stage {
      width:100%;
      height:100%;
      border:1px dashed #000;
      transform: rotateY(0deg) rotateX(0deg);
      transform-style:preserve-3d;
    }
    .cube {
      position: absolute;
      left: 75px;
      top: 100px;
      margin-left: 30px;
      width: 200px;
      height: 200px;
      color: white;
      background-color: rgba(255, 85, 85, 1);
    }
    .up {
        background-color: rgba(48, 44, 102,1);
        transform: rotateX(90deg) translateZ(100px);
    }
    .down {
        transform: rotateX(-90deg) translateZ(100px);
    }
    .left {
        background-color: rgba(254, 56, 69,1);
        transform: rotateY(-90deg) translateZ(100px);
    }
    .right {
        transform: rotateY(90deg) translateZ(100px);
    }
    .front {
        background-color: rgba(100, 225, 180,1);
        transform: translateZ(100px);
    }
    .back {
        transform: rotateY(180deg) translateZ(100px);
    }

关于如何旋转及平移，大家可以自行思考，比如把front面作为参考面，其他面应该如何平移和旋转？这里不做细述，有问题可以留言。

注意：在进行旋转的时候，物体的坐标系也是跟着旋转的，所以先平移再旋转和先旋转再平移的效果是不一样的！这时候一定要分清楚当前坐标系！

最后，一个Cube模型就显示出来了！

是不是So easy？！老板再也不担心我做不出炫酷的效果啦！

3D模型模块化及扩展

道生一，一生二，二生三，三生万物。

像这样一个简单的立方体我们可以通过几个面的平移、旋转构建出来。那如果是一个复杂模型，如果也用这样的方式构建，可能就会带来很大的工作量。当遇到这样问题的时候，我们自然而然会考虑到代码的模块化与自动化实现，有了这个“道”，万事万物就可以由此衍生出来了。

下面我们尝试用代码的方式来生成一个立方体，Let's go！

class Cube {
        constructor(id, l, w, h, x, y, z) {
            this.id = id;//ID
            this.l = l;//长
            this.w = w;//宽
            this.h = h;//高
            this.x = x;//x坐标
            this.y = y;//y坐标
            this.z = z;//z坐标
        }
    }

通过ES6语法创建一个Cube类，构造参数分别有id、长宽高l、w、h和坐标x、y、z,然后需要创建这个Cube的DOM元素。

class Cube {
        constructor(id, l, w, h, x, y, z) {
            this.id = id;//ID
            this.l = l;//长
            this.w = w;//宽
            this.h = h;//高
            this.x = x;//x坐标
            this.y = y;//y坐标
            this.z = z;//z坐标

            this._create();
        }

        _create() {
            this.cube = document.createElement('div');//构建DOM节点
            this.faces = new Array(6);//构建六个面
            for(let i = 0; i < this.faces.length; i++) {
                this.faces[i] = document.createElement('div');
                this.faces[i].id = `${this.id}-face-${i}`;
                this.faces[i].style.position = 'absolute'; //必须
                this.faces[i].style.backgroundColor = "#"+((1<<24)*Math.random()0).toString(16);//生成随机颜色
                this.cube.appendChild(this.faces[i]);
            }
            this._setCubeStyle();
            this._setFrontFace();
            this._setBackFace();
            this._setLeftFace();
            this._setRightFace();
            this._setUpFace();
            this._setDownFace();
        }
    }

OK,现在我们Cube对象基本元素都有了。接下来我们需要设置6个面的样式，我们约定前、后、左、右、上、下分别对应faces数组中的6个面。

//设置cube样式
    _setCubeStyle() {
        let style = {
            'display': 'flex', //为计算方便，设置flex布局，想想为什么？
            'justify-content': 'center',
            'align-items': 'center',
            'transform-style': 'preserve-3d',
            'transform': `translateX(${this.x}px) translateY(${this.y}px) translateZ(${this.z}px)`
        }
        Object.assign(this.cube.style, style)
    }

    //设置Front面样式
    _setFrontFace() {
      let style = {
          'width' : this.l + 'px',
          'height': this.h + 'px',
          'transform': `translateZ(${this.w/2}px)`
      }
      Object.assign(this.faces[0].style, style)
    }
    //设置Back面样式
    _setBackFace() {
      let style = {
          'width' : this.l + 'px',
          'height': this.h + 'px',
          'transform': `rotateY(180deg) translateZ(${this.w/2}px)`
      }
      Object.assign(this.faces[1].style, style)
    }
    //设置Left面样式
    _setLeftFace() {
      let style = {
          'width' : this.w + 'px',
          'height': this.h + 'px',
          'transform': `rotateY(-90deg) translateZ(${this.l/2}px)`
      }
      Object.assign(this.faces[2].style, style)
    }
    //设置Right面样式
    _setRightFace() {
      let style = {
          'width' : this.w + 'px',
          'height': this.h + 'px',
          'transform': `rotateY(90deg) translateZ(${this.l/2}px)`
      }
      Object.assign(this.faces[3].style, style)
    }
    //设置Up面样式
    _setUpFace() {
      let style = {
          'width' : this.l + 'px',
          'height': this.w + 'px',
          'transform': `rotateX(90deg) translateZ(${this.h/2}px)`
      }
      Object.assign(this.faces[4].style, style)
    }
    //设置Down面样式
    _setDownFace() {
      let style = {
          'width' : this.l + 'px',
          'height': this.w + 'px',
          'transform': `rotateX(-90deg) translateZ(${this.h/2}px)`
      }
      Object.assign(this.faces[5].style, style)
    }

这样，一个Cube类就创建好了。我们来运行验证一下。

注意：代码采用ES6语法，在浏览器运行时需要Babel转码。

<div class="camera">
        <div id="stage" class="stage">
        </div>
    </div>

    .camera {
      width: 400px;
      height: 400px;
      perspective: 1000px;
      perspective-origin: center center;
    }
    .stage {
      width:100%;
      height:100%;
      border:1px dashed #000;
      transform: rotateY(30deg) rotateX(20deg);
      transform-style:preserve-3d;
    }

HTML代码很简单，这个时候我们只需要摄像机camera和空间stage两个元素，物体则由我们刚刚创建的Cube类生成。

let c1 = new Cube('c1', 100, 100, 100, 100, 200, 0);
    document.getElementById('stage').appendChild(c1.cube)

效果如下：

来创建一堆Cube，查看效果

let c1 = new Cube('c1', 20, 30, 40, 0, 100, 0);
    let c2 = new Cube('c1', 10, 20, 30, 0, 200, 0);
    let c3 = new Cube('c1', 20, 20, 50, 0, 250, 0);
    let c4 = new Cube('c1', 50, 50, 50, 0, 320, 0);
    let $stage = document.getElementById('stage');
    $stage.appendChild(c1.cube)
    $stage.appendChild(c2.cube)
    $stage.appendChild(c3.cube)
    $stage.appendChild(c4.cube)

俄罗斯方块出现了！

扩展

这次分享的内容就要结束了，回顾一下，我们讲解了CSS的基本概念、手动创建一个Cube模型以及如何通过模块化创建Cube对象。看完之后是不是觉得很简单？实际上这里面的原理确实不难，难的是我们如何应用这些来解决实际问题或者提升用户体验。

最后分享几个有意思的DEMO：

3D魔方（在线地址）
3D俄罗斯方块（在线地址）
3D立体书(在线地址)

作者：阿里聚划算技术团队
链接：https://www.imooc.com/article/12670
来源：慕课网

码农公寓

Perspective

Transform

Transition

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